Numerical investigations on a fuel cell with CFD-simulation

Abstract

The discussion about climate change and greenhouse gas emissions is very topical. Many car manufacturers have announced battery electric vehicles in order to stay below the maximum fleet-wide average emission target of 95 gCO2/km. Besides purely battery electric vehicles, fuel cells will become an attractive propulsion system, particularly for larger vehicles or long-distance mobility. The electrochemical reactions in polymer electrolyte membrane fuel cells convert the chemical energy from hydrogen and oxygen into electrical energy, heat and pure water. If hydrogen from renewable energy is used, these fuel cells are CO2-emission free. The reaction is strongly driven by species concentration within gas diffusion layers and catalyst layers. For proper conduction of the H+-ions the membrane needs to be humidified, thus, the formation and transport of liquid water are of special interest. In general, the internal processes are very complex and the CFD-simulation offers the possibility to analyze these effects with high spatial resolution and with insight into the internal processes. The aim of this thesis is to analyze a given fuel cell with the commercial CFD-code AVL FIRE. Research was necessary to find proper material parameters for the different parts. The boundary conditions for the numerical model of a single fuel cell of the stack were derived from measurements made in advance. The geometry of the fuel cell was simplified and a computational grid with about 50 Mio. cells was created. To determine the material parameters of the catalytic layer, the measured cell currents and voltages were specified for six reference cases and compared with measurement results from the fuel cell test bench. The most suitable parameter set showed a good correlation with the measured values and resulted in a relative error between 2% to 17%. In addition, the species concentrations within the gas channels and MEA, the distribution of the current density and overpotentials and the formation of (liquid) water are visible. It was observed that the highest current density occurs near the air inlet (and hydrogen outlet), whereas liquid water is present near the hydrogen inlet (and air outlet). The humidification of the membrane is sufficiently high at all points. The influence of oxygen diffusion and humidification of the membrane on mass transfer and current density was shown. Summarizing, the CFD simulation gives an outstanding insight into the internal processes of a fuel cell and is a powerful tool for its development.

Die Diskussion über den Klimawandel und die Treibhausgasemissionen ist sehr aktuell. Viele Autohersteller haben batterieelektrische Fahrzeuge angekündigt, um unter dem maximalen flottenweiten Emissionsziel von durchschnittlich 95 gCO2/km bleiben zu können. Neben rein batterieelektrischen Fahrzeugen sind Brennstoffzellen ein attraktives Antriebssystem, insbesondere für größere Fahrzeuge oder Langstreckenmobilität. Die elektrochemischen Reaktionen in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) wandeln die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und reines Wasser um. Bei Verwendung nachhaltigen Wasserstoffs, sind diese Brennstoffzellen frei von CO2-Emissionen. Die Reaktion wird stark von der Konzentration der Gaskomponenten in der Gasdiffusionslage und der Katalysatorschicht bestimmt. Für die Leitung der H+-Ionen muss die Membran befeuchtet werden, daher sind die Bildung und der Transport flüssigen Wassers von besonderem Interesse. Die CFD-Simulation bietet die Möglichkeit, diese Effekte mit hoher räumlicher Auflösung zu analysieren. Ziel dieser Arbeit ist es, eine gegebene Brennstoffzelle mit dem kommerziellen CFD-Code AVL FIRE zu untersuchen. Literaturrecherche und Berechnungen waren notwendig, um geeignete Materialparameter für die verschiedenen Bauteile zu finden. Die Randbedingungen für das numerische Modell wurden aus bereits vorliegenden Untersuchungen des Stacks bestimmt. Die Geometrie der Brennstoffzelle wurde vereinfacht und mit 50 Mio. Zellen diskretisiert. Zur Bestimmung der Materialparameter der katalytischen Schicht wurden die gemessenen Zellströme und -spannungen für sechs Referenzfälle vorgegeben und mit Messergebnissen vom Brennstoffzellenprüfstand verglichen. Der am besten geeignete Parametersatz zeigte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten und führte zu einem relativen Fehler zwischen 2% und 17%. Weiters sind die Konzentrationen der Gaskomponenten innerhalb der Gaskanäle und der MEA, die Verteilung der Stro‬mdichte und Überpotentiale und die Bildung von (flüssigem) Wasser sichtbar. Die höchste Stromdichte tritt in der Nähe des Lufteintritts (und des Wasserstoffaustritts) auf, während flüssiges Wasser in der Nähe des Wasserstoffeintritts (und des Luftaustritts) vorhanden ist. Die Befeuchtung der Membran ist an allen Stellen ausreichend hoch. Der Einfluss der Diffusion des Sauerstoffs und der Befeuchtung der Membran auf den Stoffumsatz und die Stromdichte konnten aufgezeigt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die CFD-Simulation Einblicke in die internen Prozesse einer Brennstoffzelle gibt und ein leistungsfähiges Werkzeug für deren Entwicklung darstellt.